農(nóng)田土壤固碳潛力的計(jì)算方法

孫宏達(dá) 劉思雯 郭妍彤 梁爽

摘 要：本文指出了農(nóng)田土壤固碳潛力對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)展的重要意義，比較計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可行性，分析了在考慮精確性、操作簡易程度和可實(shí)現(xiàn)性等情況下，如何選擇最佳的農(nóng)田土壤固碳潛力計(jì)算方法，以期為土壤固碳潛力評估提供科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)土壤改良和糧食增產(chǎn)提供借鑒，對改進(jìn)區(qū)域農(nóng)田管理制度、推動(dòng)農(nóng)業(yè)減排有重要價(jià)值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；固碳潛力；計(jì)算方法

土壤碳庫是全球碳循環(huán)的重要組成部分之一，其變化可直接影響全球碳平衡。全球土地所含有機(jī)碳的總量相當(dāng)于大氣和植物中含碳總量的2.5倍左右，所以即使其變化幅度再小也會(huì)影響到全球碳平衡的狀態(tài)。相較于自然生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有極大的緩解能力和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，農(nóng)田中土壤貯存的碳含量約占土壤碳貯量的十分之一。因受人類活動(dòng)的作用，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)周轉(zhuǎn)較快，在全球碳平衡的維持作用中有著舉足輕重的地位。根據(jù)《京都議定書》的規(guī)定，化石燃料（煤）燃燒所排放的廢碳可由增添生態(tài)系統(tǒng)碳庫來抵消，IPCC認(rèn)為土壤固碳是在經(jīng)濟(jì)允許的條件下對環(huán)境較為友好的降低大氣二氧化碳濃度升高率的重要方法。目前中國農(nóng)業(yè)在生態(tài)固碳減排方面亟待解決的重要問題中，較為重要的一點(diǎn)就是農(nóng)田土壤固碳。探究區(qū)域內(nèi)土壤固碳狀態(tài)以及速率也是推動(dòng)農(nóng)業(yè)減排和土壤改良的重要需求，而探索農(nóng)田土壤固碳現(xiàn)狀及速率的前提條件為怎樣準(zhǔn)確地計(jì)算農(nóng)田土壤的固碳潛力。

一、農(nóng)田土壤固碳潛力的概述

農(nóng)田土壤含碳總量與土地被利用的情況或農(nóng)藝管理的相關(guān)措施等有不可分割的聯(lián)系，適當(dāng)提高管理措施或者更好地利用土地可以有效降低土壤CO2凈排放水平，穩(wěn)定提升土壤的有機(jī)碳含量水平。大地中含有的有機(jī)質(zhì)（作物殘茬）之間的輸入與降解平衡對控制土壤有機(jī)碳含量及其動(dòng)態(tài)有著至關(guān)重要的作用。

很少一部分的農(nóng)田含有機(jī)碳的量與有機(jī)質(zhì)輸入呈直接相關(guān)關(guān)系。長期耕種農(nóng)田的有機(jī)碳動(dòng)態(tài)幾乎決定于耕作、灌溉等人類行為。土壤固碳潛力表征土壤最高固碳量與有機(jī)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀的差值，分為理想固碳潛力和現(xiàn)實(shí)固碳潛力。前者是指將當(dāng)前所有區(qū)域有機(jī)碳水平均提升至最高水平，土壤中還能容納的碳量；后者則指將土壤內(nèi)所含有機(jī)碳提高至環(huán)境條件允許的最高水平時(shí)，土壤中所能容納的含碳量。

二、農(nóng)田土壤固碳潛力計(jì)算方法

1.最大值法計(jì)算土壤的理想固碳潛力

理想固碳潛力是指將所有區(qū)域有機(jī)碳的水平升高至當(dāng)前含量的最高水平，該土地中還能容納的碳。由于區(qū)域情況和環(huán)境條件的差異，不可能完全實(shí)現(xiàn)，因此把這種潛力稱作為理想固碳潛力。最大值法是指使每個(gè)樣點(diǎn)達(dá)到現(xiàn)有樣點(diǎn)有機(jī)碳含量的最高水平，將每個(gè)樣點(diǎn)所代表的區(qū)域進(jìn)行累加，求得固碳潛力。因此，最大值法能方便、快捷、粗略的估算土壤固碳潛力。但是由于形成每種土壤的自然條件、環(huán)境因素和耕作管理方式等方面均不一樣，要實(shí)現(xiàn)所有土壤都能達(dá)到該土類有機(jī)碳含量的最高水平是不現(xiàn)實(shí)的，所以該法求得的潛力是一種理論值，雖然不盡精確但仍具有參考價(jià)值。

2.分類定級(jí)法、飽和值法和加權(quán)法計(jì)算土壤的現(xiàn)實(shí)固碳潛力

現(xiàn)實(shí)固碳潛力是指當(dāng)土壤中有機(jī)碳的含量達(dá)到周圍環(huán)境情況下所能夠接受的飽和水平時(shí)，土壤中還能容納的碳的含量?，F(xiàn)實(shí)固碳潛力是指通過改變?nèi)藶榈墓芾泶胧┑仁侄螐亩鴮?shí)現(xiàn)的潛力，是基于目標(biāo)值理論的潛力計(jì)算方法。

分類定級(jí)法是在最大值法的基礎(chǔ)上，將土壤有機(jī)碳含量分為多個(gè)層次水平（最高、較高、中、較低、最低），分別計(jì)算實(shí)現(xiàn)到不同水平，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量能提升的空間，從而求得不同層次水平的固碳潛力。相比于最大值法，此法的最大值是同一級(jí)別水平的代表而非某樣點(diǎn)的具體數(shù)值，更具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和代表性。

通過探究目前環(huán)境條件下土壤有機(jī)碳的最高水平，來計(jì)算固碳潛力的方法為飽和值法，此理論的難點(diǎn)在于如何確定飽和水平，以及當(dāng)前環(huán)境條件下土壤有機(jī)碳含量的最高水平，這些成為該法能否計(jì)算準(zhǔn)確的決定因素。通過分析我們知道有機(jī)碳變化量為零時(shí)，根據(jù)其含量水平確定飽和值是較準(zhǔn)確可行的辦法，但這一方法需要滿足以下兩個(gè)條件。一是滿足擁有一定數(shù)量的樣本點(diǎn)數(shù)目，因?yàn)闃狱c(diǎn)數(shù)量是獲取飽和水平高低的決定因素；二是保證外源有機(jī)質(zhì)投入量的充足，根據(jù)相關(guān)研究所作的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化可知，土壤有機(jī)碳含量的真實(shí)飽和水平是指如果投入外源有機(jī)碳，就會(huì)形成有機(jī)碳的穩(wěn)定期，但是土壤中有機(jī)碳的含量不與外源有機(jī)碳的投入有關(guān)系。

加權(quán)法是以土壤有機(jī)碳變化的影響因子貢獻(xiàn)系數(shù)為基礎(chǔ)，通過排除自然因子的影響效果，來求出土壤潛力增量的計(jì)算方法。此方法是假定有機(jī)碳的變化主要由上述因素引起，由于自然影響因子如土壤屬性、海拔、天氣、坡向等不可改變，而人為的影響因子如秸稈還田、有機(jī)肥施用量、耕作灌溉等可受控制，排除自然影響因子的影響后所得的有機(jī)碳增量，即為實(shí)際有機(jī)碳的增量空間。此方法是以有機(jī)碳變化影響因素為基礎(chǔ)，其影響因素及權(quán)重對潛力計(jì)算的影響較大。同時(shí)，影響因素的分級(jí)對計(jì)算結(jié)果亦有影響。由于分類定級(jí)法計(jì)算的現(xiàn)實(shí)固碳潛力與加權(quán)法、飽和值法結(jié)果較為接近，盡管結(jié)果不及上述兩法準(zhǔn)確，但由于簡單且易于操作，在粗略計(jì)算方面應(yīng)用較為廣泛。

三、結(jié)論與展望

計(jì)算農(nóng)田表層土壤現(xiàn)實(shí)固碳潛力時(shí)，如果數(shù)據(jù)結(jié)果要求精確的話，優(yōu)先選擇加權(quán)法。如果在條件不充足并要求操作的簡易程度低的情況下，優(yōu)先選擇分類定級(jí)法。結(jié)合實(shí)際條件選擇合適方法計(jì)算出土壤的固碳潛力可探索農(nóng)田土壤固碳現(xiàn)狀及速率，能夠?yàn)橥寥拦烫紳摿υu估提供依據(jù)，為農(nóng)業(yè)土壤改良和糧食增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，對改進(jìn)區(qū)域農(nóng)田管理制度、推動(dòng)農(nóng)業(yè)減排有重要價(jià)值，在區(qū)域農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展方面有著廣闊的應(yīng)用前景。有利于增加農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和農(nóng)民收入、發(fā)展高碳匯的綠色農(nóng)業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境共同發(fā)展，也有利于進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的傳承與發(fā)揚(yáng)，為解決新時(shí)期的主要矛盾貢獻(xiàn)力量，更好的土地基礎(chǔ)也為我國積攢了更好的后備資源和力量，在不破害環(huán)境的前提下，更好更快實(shí)現(xiàn)土地的資源化，向著“綠水青山就是金山銀山”的資源與環(huán)境的完美統(tǒng)一的愿景而努力奮斗。

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本論文是在吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“吉林省農(nóng)田土壤固碳潛力及應(yīng)對氣候變化的措施”（2017S11067）的資助下完成的。